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DE102004032978A1 - Flow structure for a turbocompressor - Google Patents

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DE102004032978A1
DE102004032978A1 DE102004032978A DE102004032978A DE102004032978A1 DE 102004032978 A1 DE102004032978 A1 DE 102004032978A1 DE 102004032978 A DE102004032978 A DE 102004032978A DE 102004032978 A DE102004032978 A DE 102004032978A DE 102004032978 A1 DE102004032978 A1 DE 102004032978A1
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annular chamber
flow
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flow structure
chamber
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DE102004032978A
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German (de)
Inventor
Peter A. Dr. Seitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Priority to DE502005000276T priority patent/DE502005000276D1/en
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Priority to US11/176,252 priority patent/US7600965B2/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsstruktur für einen Turboverdichter. DOLLAR A Die Strömungsstruktur umfasst eine Ringkammer (18), die konzentrisch zu einer Achse (17) des Turboverdichters im Bereich von freien Schaufelenden eines Schaufelkranzes (15) angeordnet ist und die radial an einen Hauptströmungskanal (12) angrenzt, wobei die Ringkammer (18) von einer vorderen, stromaufwärtigen Wand (19), einer hinteren, stromabwärtigen Wand (20) und einer im Wesentlichen axial verlaufenden Wand (21) begrenzt ist, wobei in der Ringkammer (18) Leitelemente (22) angeordnet sind und wobei die Ringkammer (18) in einem vorderen und/oder hinteren Bereich einen Strömungsdurchtritt in Umfangsrichtung ermöglicht. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist im Bereich der im Wesentlichen axial verlaufenden Wand (21) oder im Bereich der stromaufwärtigen Wand (19) eine Öffnung (30) angeordnet, die einen Strömungsdurchtritt aus der Ringkammer (18) heraus ermöglicht, wobei mindestens eine Verdichterkammer (31) zur Aufnahme dieser austretenden Strömung vorhanden ist.The invention relates to a flow structure for a turbocompressor. DOLLAR A The flow structure comprises an annular chamber (18) which is arranged concentrically to an axis (17) of the turbocompressor in the region of free blade ends of a blade ring (15) and which radially adjoins a main flow channel (12), wherein the annular chamber (18) is bounded by a front, upstream wall (19), a rear, downstream wall (20) and a substantially axially extending wall (21), wherein in the annular chamber (18) guide elements (22) are arranged and wherein the annular chamber (18 ) in a front and / or rear area allows a flow passage in the circumferential direction. DOLLAR A According to the invention in the region of the substantially axially extending wall (21) or in the region of the upstream wall (19) an opening (30) is arranged, which allows a flow passage out of the annular chamber (18) out, wherein at least one compression chamber (31). is present for receiving this emerging flow.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsstruktur für einen Turboverdichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Turboverdichter sowie ein Flugtriebwerk und eine stationäre Gasturbine.The The invention relates to a flow structure for a Turbo compressor according to the preamble of claim 1. Des Furthermore, the invention relates to a turbocompressor and a Aircraft engine and a stationary one Gas turbine.

Strömungsstrukturen bzw. Zirkulationsstrukturen für Turboverdichter sind in Form sogenannter "Casing Treatments" und "Hub Treatments" bekannt. Die "Casing Treatments" und "Hub Treatments" genannten Strömungsstrukturen haben primär die Aufgabe, den aerodynamisch stabilen Betriebsbereich des Verdichters durch eine Optimierung des Pumpgrenzabstandes zu erhöhen. Ein optimierter Pumpgrenzabstand ermöglicht höhere Verdichterdrücke und somit eine höhere Verdichterbelastung. Die für einen örtlichen Strömungsabriss und letztendlich für das Pumpen des Verdichters verantwortlichen Störungen treten an gehäuseseitigen Enden der Laufschaufeln einer bzw. mehrerer Verdichterstufen bzw. an den nabenseitigen, radial innenliegenden Enden der Leitschaufeln auf, da in diesen Bereichen die aerodynamische Belastung im Verdichter am höchsten ist. Durch Strömungsstrukturen bzw. Zirkulationsstrukturen wird die Strömung im Bereich der Schaufelenden stabilisiert. Dabei erlauben derartige Zirkulationsstrukturen einerseits eine Strömung in axialer Richtung und andererseits einen Strömungsdurchtritt in Umfangsrichtung. Strömungsstrukturen im Bereich der gehäuseseitigen Enden der Laufschaufeln bezeichnet man als "Casing Treatments", Strömungsstrukturen im Bereich der nabenseitigen Enden der Leitschaufeln bezeichnet man als "Hub Treatments".flow structures or circulation structures for Turbo compressors are known in the form of so-called "Casing Treatments" and "Hub Treatments". The "Casing Treatments" and "Hub Treatments" flow structures have primarily the task the aerodynamically stable operating range of the compressor to increase an optimization of the surge margin. An optimized surge margin allows higher Compressor pressures and thus a higher one Compressor load. The for a local stall and ultimately for that Pumping the compressor responsible faults occur on the housing side Ends of the blades of one or more compressor stages or on the hub-side, radially inner ends of the vanes because, in these areas, the aerodynamic load in the compressor is highest. Through flow structures or circulation structures, the flow in the area of the blade ends stabilized. On the one hand, such circulation structures permit one another a flow in the axial direction and on the other hand, a flow passage in the circumferential direction. flow structures in the area of the housing side Ends of the blades are referred to as "casing treatments", flow structures in the area the hub-side ends of the vanes are referred to as "hub treatments".

Die DE 33 22 295 C3 offenbart einen Axialventilator mit einer Zirkulationsstruktur. Der Axialventilator gemäß DE 33 22 295 C3 umfasst eine Ringkammer, die konzentrisch zu einer Achse des Axialventilators im Bereich von freien Enden eines Laufschaufelkranzes angeordnet ist, wobei sich die Ringkammer radial an einen Hauptströmungskanal anschließt. In der Ringkammer sind Leitelemente fest angeordnet. Die Zirkulationsstruktur gemäß diesem Stand der Technik ermöglicht eine Strömung in axialer Richtung sowie in Umfangsrichtung. Charakteristisch für diese Art von Zir kulationsstrukturen ist ein mit der Kontur des Hauptströmungskanals fluchtender, geschlossener Ring, der den hinteren Eintrittsbereich der Zirkulationsstruktur vom vorderen Austrittsbereich derselben trennt und einen glatten, geschlossenen Oberflächenbereich bildet.The DE 33 22 295 C3 discloses an axial fan with a circulation structure. The axial fan according to DE 33 22 295 C3 comprises an annular chamber, which is arranged concentrically to an axis of the axial fan in the region of free ends of a blade ring, wherein the annular chamber is radially connected to a main flow channel. In the annular chamber guide elements are fixed. The circulation structure according to this prior art allows a flow in the axial direction and in the circumferential direction. Characteristic of this type of zirkulationsstrukturen is a aligned with the contour of the main flow channel, closed ring, which separates the rear entrance region of the circulation structure from the front exit region thereof and forms a smooth, closed surface region.

Die US 5,282,718 offenbart ein "Casing Treatment" mit in einer Ringkammer angeordneten Leitelementen. Auch bei diesem "Casing Treatment" sind Eintrittsbereich und Austrittsbereich der Zirkulationsstruktur durch einen massiven, zu den Schaufeln hin glatten und geschlossenen Ring getrennt. Derartige Ringe im Schaufelbereich müssen für den Fall der Berührung mit den Schaufelspitzen mit einem Anstreif- bzw. Einlaufbelag versehen werden.The US 5,282,718 discloses a "Casing Treatment" with arranged in an annular chamber vanes. In this "casing treatment" as well, the inlet area and the outlet area of the circulation structure are separated by a solid ring which is smooth and closed towards the blades. Such rings in the blade area must be provided in the event of contact with the blade tips with a Anstreif- or inlet lining.

Ein weiteres "Casing Treatment" ist aus der US 5,137,419 bekannt. Bei der dort offenbarten Zirkulationsstruktur zur Verbesserung des Pumpgrenzabstandes eines Kompressors in Axialbauweise sind axiale bzw. axial schräge Nuten vorhanden. Bei der dort offenbarten Zirkulationsstruktur ist jedoch kein Strömungsdurchtritt in Umfangsrichtung möglich.Another "Casing Treatment" is from the US 5,137,419 known. In the disclosed therein circulation structure to improve the surge margin of a compressor in Axialbauweise axial or axially oblique grooves are present. In the circulation structure disclosed therein, however, no flow passage in the circumferential direction is possible.

Weitere Zirkulationsstrukturen für Turboverdichter sind aus der US 4,511,308 sowie der DE 35 39 604 C1 bekannt.Further circulation structures for turbocompressors are from the US 4,511,308 as well as the DE 35 39 604 C1 known.

Weiterhin ist es bereits Stand der Technik, im Verdichterbereich zwischen benachbarten Leitschaufelkränzen und Laufschaufelkränzen durch Öffnungen im Verdichtergehäuse – durch sogenannte „Bleed Slots" – Luft abzuzweigen, die zum Beispiel als Kabinenluft oder als Kühlluft für die Turbine verwendet wird. Hierdurch werden jedoch die Strömungsverhältnisse am stromabwärts liegenden Laufschaufelgitter im Sinne einer Verringerung des Pumpgrenzabstands negativ beeinflusst.Farther it is already state of the art, in the compressor area between adjacent vane rings and blade wreaths through openings in the compressor housing - through so-called "Bleed Slots "- to divert air, which is used for example as cabin air or as cooling air for the turbine. As a result, however, the flow conditions at the downstream lying blade lattice in the sense of reducing the surge margin negatively influenced.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Strömungsstruktur für einen Turboverdichter zu schaffen, die insbesondere ein Abzweigen von Verdichterluft ohne strömungstechnische Nachteil ermöglicht.Of these, Based on the present invention, the problem underlying a novel flow structure for one To create turbocompressors, in particular a branching of Compressor air without fluidic Disadvantage allows.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Strömungsstruktur durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist im Bereich wenigstens einer der Wände mindestens eine Öffnung angeordnet, die einen Strömungsdurchtritt aus der Ringkammer heraus ermöglicht, wobei mindestens eine Verdichterkammer zur Aufnahme der austretenden Luft vorhanden ist.This Problem is solved by that the initially mentioned flow structure by the features of the characterizing part of the claim 1 is further developed. According to the invention, at least in the area one of the walls at least one opening arranged, which has a flow passage out of the annular chamber allows, where at least one compressor chamber for receiving the exiting air is available.

Die erfindungsgemäße Strömungsstruktur wirkt zumindest teilweise als Casing Treatment bzw. Hub Treatment mit allen diesbezüglichen Vorteilen und ermöglicht ein strömungstechnisch optimiertes Abzweigen von Luft. Die Erfindung ermöglicht demnach einerseits eine Luftzirkulation und andererseits ein Abzweigen von Luft. Wird keine Luft abgezweigt, wirkt dieselbe ausschließlich als Casing Treatment bzw. Hub Treatment.The inventive flow structure acts at least partially as a casing treatment or stroke treatment with all of them Advantages and allows a fluidic optimized branching of air. The invention thus enables on the one hand air circulation and on the other hand a branch of Air. If no air is diverted, it acts exclusively as Casing Treatment or Hub Treatment.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung begrenzen die Leitelemente einerseits vorwiegend in axialer Richtung verlaufende Strömungskanäle und andererseits mindestens einen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanal, wobei die oder jede Öffnung an einem stromaufwärtsliegenden Ende der in axialer Richtung verlaufenden Strömungskanäle angeordnet ist.According to an advantageous embodiment of the invention, the guide elements limit on the one hand as in the axial direction extending flow channels and on the other hand, at least one circumferentially extending flow channel, wherein the or each opening is disposed at an upstream end of the axially extending flow channels.

Vorzugsweise ist ein Medium, nämlich Luft, welches über die in axialer Richtung verlaufenden Strömungskanäle und über die oder jede Öffnung in die Verdichterkammer einströmt über eine Austrittsöffnung aus der Verdichterkammer abführbar.Preferably is a medium, namely Air, which over the flow channels running in the axial direction and over the or each opening in the Compressor chamber flows in over one outlet opening discharged from the compression chamber.

Der erfindungsgemäße Turboverdichter ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 17 definiert, das erfindungsgemäße Flugtriebwerk ist in Patentanspruch 18 und die erfindungsgemäße stationäre Gasturbine ist in Patentanspruch 19 definiert.Of the Turbo compressor according to the invention is defined by the features of claim 17, the aircraft engine according to the invention is in claim 18 and the stationary gas turbine according to the invention is in claim 19 defined.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:embodiments The invention will be described, but not limited to, with reference to the drawing explained in more detail. In the drawing shows:

1: einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter in Axialbauweise im Bereich einer erfindungsgemäßen, gehäuseseitigen Strömungsstruktur; 1 a partial longitudinal section through an axial compressor in the region of a housing-side flow structure according to the invention;

2: einen Teilquerschnitt durch die Anordnung gemäß 1 entlang Schnittrichtung I-I in 1; 2 a partial cross section through the arrangement according to 1 along cutting direction II in 1 ;

3: einen Teilquerschnitt durch die Anordnung gemäß 1 entlang Schnittrichtung II-II in 1; 3 a partial cross section through the arrangement according to 1 along cutting direction II-II in 1 ;

4: einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter in Axialbauweise im Bereich einer erfindungsgemäßen, nabenseitigen Strömungsstruktur. 4 : A partial longitudinal section through a compressor in axial construction in the region of a hub-side flow structure according to the invention.

Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIG 1 to 4 described in more detail.

1 zeigt einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter 10 in Axialbauweise, wobei ein Gehäuse 11 des Verdichters 10 einen Hauptströmungskanal 12 begrenzt. Die Strömungsrichtung durch den Hauptströmungskanal 12 ist in 1 durch einen Pfeil 13 visualisiert. 1 shows a partial longitudinal section through a compressor 10 in axial construction, with a housing 11 of the compressor 10 a main flow channel 12 limited. The flow direction through the main flow channel 12 is in 1 through an arrow 13 visualized.

Im Hauptströmungskanal 12 sind in axialer Richtung hintereinander mehrere feststehende Leitschaufeln sowie mehrere rotierende Laufschaufeln angeordnet. So zeigt der Ausschnitt aus dem Verdichter 10 gemäß 1 einen ersten Leitschaufelkranz 14, wobei in Strömungsrichtung hinter diesem ersten Leitschaufelkranz 14 ein Laufschaufelkranz 15 und in Strömungsrichtung hinter dem Laufschaufelkranz 15 wiederum ein Leitschaufelkranz 16 im Hauptströmungskanal 12 angeordnet ist. Die rotierenden Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 15 rotieren zusammen mit einem Rotor gegenüber dem feststehenden Gehäuse 11 sowie gegenüber den feststehenden Leitschaufeln der Leitschaufelkränze 14 und 16. Eine Drehachse des Rotors, mit welchem die Laufschaufeln rotieren, ist in 1 mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet.In the main flow channel 12 are arranged in the axial direction one behind the other several fixed vanes and a plurality of rotating blades. This is how the section from the compressor shows 10 according to 1 a first vane ring 14 , wherein in the flow direction behind this first vane ring 14 a blade ring 15 and in the flow direction behind the blade ring 15 again a vane ring 16 in the main flow channel 12 is arranged. The rotating blades of the rotor blade ring 15 rotate together with a rotor opposite the fixed housing 11 as well as against the fixed vanes of the vane rings 14 and 16 , An axis of rotation of the rotor with which the blades rotate is in FIG 1 with the reference number 17 characterized.

An den Hauptströmungskanal 12 grenzt gemäß 1 in radialer Richtung eine Ringkammer 18 an. Die Ringkammer 18 wird von einer axial vorderen Wand 19, einer axial hinteren Wand 20 sowie einer radial außenliegenden Wand 21 begrenzt. Die axial vordere Wand 19 und die axial hintere Wand 20 verlaufen im Wesentlichen in radialer Richtung. Die radial außenliegende Wand 21 verläuft im Wesentlichen in axialer Richtung. Die Ringkammer 18 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel den gehäuseseitigen Enden 35 der Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 15 zugeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass eine derartige Ringkammer auch nabenseitigen, radial innenliegenden Enden der Leitschaufeln der Leitschaufelkränze 14 und 16 zugeordnet sein kann.To the main flow channel 12 borders according to 1 in the radial direction an annular chamber 18 at. The annular chamber 18 is from an axially front wall 19 , an axially rear wall 20 and a radially outer wall 21 limited. The axially front wall 19 and the axially rear wall 20 extend substantially in the radial direction. The radially outer wall 21 runs essentially in the axial direction. The annular chamber 18 is in the embodiment shown, the housing-side ends 35 the blades of the rotor blade ring 15 assigned. It should be noted that such an annular chamber also hub-side, radially inner ends of the vanes of the vane rings 14 and 16 can be assigned.

In der Ringkammer 18 sind Leitelemente 22 angeordnet. Der Darstellung gemäß 2 kann entnommen werden, dass die Leitelemente 22 um einen Winkel β gegenüber den Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 15 bzw. gegenüber einer Radialen geneigt sind. Die Darstellung gemäß 2 zeigt die Leitelemente in axialer Blickrichtung. In Umfangsrichtung sind dieselben um den Winkel β gegenüber den Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 15 geneigt. Der Winkel β ist dabei so gewählt, dass ein Strömungsaustritt aus dem Hauptströmungskanal 12 in die Ringkammer 18 hinein strömungstechnisch erleichtert ist und demnach ohne größere Verluste erfolgt. Die Drehrichtung des Laufschaufelkranzes 15 ist in 2 mit dem Pfeil 23 gekennzeichnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Neigungswinkel β nicht wie im gezeigten Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung konstant sein muss, sondern sich vielmehr in Umfangsrichtung ändern kann. Die Leitelemente verfügen dann in Umfangsrichtung über einen gekrümmten Verlauf. Der Neigungswinkel β kann von radial innen nach außen bis auf einen Wert "Null" abnehmen, bei entsprechend gekrümmten Leitelementen. In jedem Fall ist der Winkel β so gewählt, dass der Strömungseintritt in die Ringkammer 18 optimiert erfolgt. Wie 2 entnommen werden kann, sind die Leitelemente 22 nicht nur durch den Winkel β gekennzeichnet sondern vielmehr auch durch ihre radiale Höhe H sowie ihren Abstand in Umfangsrichtung, der durch die Kenngrößen T und P definiert wird.In the ring chamber 18 are guiding elements 22 arranged. The representation according to 2 it can be seen that the guiding elements 22 at an angle β to the blades of the blade ring 15 or are inclined relative to a radial. The representation according to 2 shows the guide elements in the axial direction. In the circumferential direction are the same by the angle β with respect to the blades of the blade ring 15 inclined. The angle β is chosen so that a flow outlet from the main flow channel 12 in the ring chamber 18 is facilitated in terms of flow and therefore takes place without major losses. The direction of rotation of the blade ring 15 is in 2 with the arrow 23 characterized. It should be noted at this point that the inclination angle β does not have to be constant in the circumferential direction, as in the exemplary embodiment shown, but rather can change in the circumferential direction. The guide elements then have a curved course in the circumferential direction. The angle of inclination β can decrease from radially inward to outward to a value "zero", with appropriately curved guide elements. In any case, the angle β is chosen so that the flow enters the annular chamber 18 Optimized. As 2 can be taken, are the guiding elements 22 not only characterized by the angle β but also by their radial height H and their distance in the circumferential direction, which is defined by the parameters T and P.

Die Leitelemente 22 sind schaufelartig ausgeführt und verfügen über ein räumlich gekrümmtes Profil mit variierender Dicke. Dies kann insbesondere der Darstellung gemäß 3 entnommen werden. 3 zeigt die Profilierung der Leitelemente 22 sowie der Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 15, wobei die Drehrichtung des Laufschaufelkranzes 15 wiederum durch den Pfeil 23 visualisiert ist. In 3 ist zu erkennen, dass der Strömungsaustritt im Bereich einer stromaufwärtigen Kante 24 der Ringkammer 18 in Relation zum Laufschaufelkranz 15 mit Gegendrall erfolgen soll. Eine stromabwärtige Kante der Ringkammer 18 ist in 3 mit der Bezugsziffer 25 bezeichnet.The guiding elements 22 are scoop-like and have a spatially curved profile with varying thickness. This can in particular the representation according to 3 be removed. 3 shows the profiling of the guide elements 22 and the blades of the blade ring 15 , where the direction of rotation of the blade ring 15 again by the arrow 23 is visualized. In 3 It can be seen that the flow outlet in the region of an upstream edge 24 the annular chamber 18 in relation to the blade ring 15 to be done with counter-rotation. A downstream edge of the annular chamber 18 is in 3 with the reference number 25 designated.

Wie 1 entnommen werden kann, erstrecken sich die Leitelemente 22 innerhalb der Ringkammer 18 nicht über die gesamte axiale Länge der Ringkammer 18, vielmehr lassen die Leitelemente 22 im Bereich der axial hinteren Wand 20 – also an der stromabwärtigen Kante 25 – eine Aussparung 26 frei. Die Leitelemente 22 begrenzen demnach mehrere in axialer Richtung verlaufende Strömungskanäle 27 sowie einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Strömungskanal 28. Innerhalb der Ringkammer 18 ist demnach zusätzlich zu der vorwiegend in axialer Richtung verlaufenden Rezirkulation eine Strömung in Umfangsrichtung möglich. Die in axialer Richtung verlaufende Rezirkulation ist in 1 durch den Pfeil 29 gekennzeichnet.As 1 can be removed, the guide elements extend 22 within the annular chamber 18 not over the entire axial length of the annular chamber 18 rather, leave the vanes 22 in the area of the axially rear wall 20 - So at the downstream edge 25 - a recess 26 free. The guiding elements 22 thus limit a plurality of flow channels extending in the axial direction 27 and a circumferentially extending flow channel 28 , Within the annular chamber 18 Accordingly, in addition to the predominantly extending in the axial direction recirculation flow in the circumferential direction is possible. The axial recirculation is in 1 through the arrow 29 characterized.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass im Unterschied zum gezeigten Ausführungsbeispiel in der Ringkammer auch Leitelemente angeordnet sein können, die sowohl im Bereich der axial vorderen Wand 19 als auch im Bereich der axial hinteren Wand 20 Ausnehmungen freilassen, die Strömungsdurchtritte in Umfangsrichtung ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist lediglich im Bereich der axial hinteren Wand 20 eine derartige Ausnehmung 26 vorgesehen. Weiterhin ist es im Sinne der Erfindung möglich, dass die durch die Leitelemente definierte Ausnehmung zur Gewährleistung eines Strömungsdurchtritts in Umfangsrichtung ausschließlich im Bereich der axial vorderen Wand 19 positioniert ist.At this point it should be noted that in contrast to the embodiment shown in the annular chamber and guide elements can be arranged, both in the region of the axially front wall 19 as well as in the area of the axially rear wall 20 Release recesses that allow flow passages in the circumferential direction. In the embodiment of 1 is only in the area of the axially rear wall 20 such a recess 26 intended. Furthermore, it is within the meaning of the invention possible that the defined by the guide elements recess to ensure a flow passage in the circumferential direction exclusively in the region of the axially front wall 19 is positioned.

1 kann entnommen werden, dass dem Hauptströmungskanal 12 zugewandte Enden der Leitelemente 22 auf einer Kontur des Hauptströmungskanals 12 verlaufen und axial mit freien Enden 35 der Schaufeln des Laufschaufelkranzes 15 überlappen. Die dem Hauptströmungskanal 12 zugewandten Enden der Leitelemente 22 weisen dabei in radialer Richtung einen solchen Abstand von den freien Enden 35 der Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 15 auf, dass im Normalbetrieb des Turboverdichters die Leitelemente 22 die freien Enden 35 der Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 15 nicht berühren. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Leit elemente 22 aus einem Metall, wie Stahl, oder einer Nickelbasislegierung oder einer Kobaltbasislegierung bestehen können. Weiterhin ist es möglich, die Leitelemente 22 aus einem Leichtmetall, wie Aluminium, oder einem Kunststoff, wie Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere, herzustellen. Die Ringkammer 18 kann einschließlich der Leitelemente 22 einstückig oder als zumindest zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzende Segmente ausgeführt werden. In dem Fall, in dem die Ringkammer 18 sowie die Leitelemente 22 als zwei Segmente ausgeführt sind, sind die Leitelemente 22 lösbar in der Ringkammer 18 befestigt. 1 can be seen that the main flow channel 12 facing ends of the guide elements 22 on a contour of the main flow channel 12 run and axial with free ends 35 the blades of the rotor blade ring 15 overlap. The main flow channel 12 facing ends of the guide elements 22 have such a distance from the free ends in the radial direction 35 the blades of the rotor blade ring 15 on that in normal operation of the turbocompressor the guide elements 22 the free ends 35 the blades of the rotor blade ring 15 do not touch. It should be noted at this point that the guiding elements 22 may consist of a metal, such as steel, or a nickel-based alloy or a cobalt-based alloy. Furthermore, it is possible, the guide elements 22 from a light metal, such as aluminum, or a plastic, such as thermoplastics, thermosetting plastics or elastomers. The annular chamber 18 can be including the guide elements 22 in one piece or as at least two circumferentially adjacent segments are executed. In the case where the annular chamber 18 as well as the guiding elements 22 when two segments are executed, are the guiding elements 22 detachable in the annular chamber 18 attached.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist in einem in Hauptströmungsrichtung 16 gesehen stromaufwärtigen Bereich der Ringkammer 18 mindestens eine Öffnung 30 angeordnet, die einen Strömungsdurchtritt aus der Ringkammer 18 heraus in eine Verdichterkammer 31 ermöglicht. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Öffnung bzw. Ausnehmung 30 in die im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Wand 21 der Ringkammer 18 integriert. Die Öffnung 30 ist dabei in einen Bereich der radial außenliegenden Wand 21 eingebracht, der sich an die axial vordere Wand 19 anschließt. Die oder jede Öffnung 30 im Bereich der im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Wand 21 ist demnach an einem stromaufwärtsliegenden Ende angeordnet. Die oder jede Öffnung 30 im Bereich der im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Wand 21 der Ringkammer 18 ermöglicht einen Strömungsdurchtritt in radialer Richtung aus der Ringkammer 18 heraus in eine Verdichterkammer 31. Die Verdichterkammer 31 kann auch als Verdichtervorkammer bezeichnet werden. Der Strömungsdurchtritt aus der Ringkammer 18 in die Verdichterkammer 31 ist in 1 durch den Pfeil 32 gekennzeichnet. Die Strömung im Bereich der Ringkammer 18 dient demnach einerseits der Rezirkulation zurück in den Hauptströmungskanal 12 und andererseits einer Zirkulation aus dem Hauptströmungskanal 12 heraus in die Verdichtervorkammer 31.In the sense of the present invention is in a main flow direction 16 seen upstream region of the annular chamber 18 at least one opening 30 arranged, which has a flow passage from the annular chamber 18 out into a compactor chamber 31 allows. In the embodiment of 1 is the opening or recess 30 in the substantially axially extending wall 21 the annular chamber 18 integrated. The opening 30 is in an area of the radially outer wall 21 introduced, which is attached to the axial front wall 19 followed. The or each opening 30 in the region of the wall extending substantially in the axial direction 21 is therefore arranged at an upstream end. The or each opening 30 in the region of the wall extending substantially in the axial direction 21 the annular chamber 18 allows flow passage in the radial direction from the annular chamber 18 out into a compactor chamber 31 , The compressor chamber 31 can also be referred to as compressor pre-chamber. The flow passage from the annular chamber 18 in the compression chamber 31 is in 1 through the arrow 32 characterized. The flow in the area of the annular chamber 18 on the one hand serves the recirculation back into the main flow channel 12 and, on the other hand, a circulation from the main flow channel 12 out into the compressor chamber 31 ,

Im Unterscheid zum gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich die oder jede Öffnung 30 in die axial vordere Wand 19 einzubringen. Auch dann ist die Öffnung in einem stromaufwärtigen Bereich der Ringkammer 18 angeordnet.In contrast to the embodiment shown, it is also possible the or each opening 30 in the axial front wall 19 contribute. Even then, the opening is in an upstream region of the annular chamber 18 arranged.

Gemäß 1 ist das aus der Ringkammer 18 in die Verdichterkammer 31 strömende Medium über eine Austrittsöffnung 33 aus der Verdichterkammer 31 heraus abführbar, was in 1 durch einen Pfeil 34 bezeichnet ist. Die Verdichterkammer 31 schließt sich radial an die Ringkammer 18 an und umschließt die Ringkammer 18 radial außen.According to 1 is that from the ring chamber 18 in the compression chamber 31 flowing medium via an outlet opening 33 from the compression chamber 31 out laxable, what in 1 through an arrow 34 is designated. The compressor chamber 31 closes radially to the annular chamber 18 and surrounds the annular chamber 18 radially outside.

Im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die axiale Mitte der Ringkammer 18 stromaufwärts der axialen Mitte des zugeordneten Laufschaufelkranzes 15 liegt. Hierunter soll verstanden werden, dass die axiale Mitte der Ringkammer 18 an der zugeordneten Wand des Hauptströmungskanals 12 stromaufwärts der axialen Mitte der freien Enden 35 der Laufschaufeln des Laufschaufelkranzes 15 liegt.In connection with the embodiment of the 1 to 3 It should be noted at this point that the axial center of the annular chamber 18 upstream of the axial center of the associated blade ring 15 lies. By this is meant that the axial center of the annular chamber 18 on the associated wall of the main flow channel 12 upstream of the axial center of the free ends 35 the blades of the rotor blade ring 15 lies.

Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 wurde die erfindungsgemäße Strömungsstruktur am Beispiel einer ein Casing Treatment bildenden Ringkammer beschrieben. Wie bereits erwähnt, ist die erfindungsgemäße Strömungsstruktur auch im Bereich nabenseitiger Enden von feststehenden Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes unter Bildung eines sogenannten Hub Treatments einsetzbar. So zeigt 4 einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter, bei welchem die erfindungsgemäße Strömungsstruktur im Bereich einer Nabe eines Verdichterrotors als Hub Treatments ausgebildet ist.With reference to 1 to 3 the flow structure according to the invention has been described using the example of a ring chamber forming a casing treatment. As already mentioned, the flow structure according to the invention can also be used in the region of the hub-side ends of stationary vanes of a vane ring to form a so-called stroke treatment. So shows 4 a partial longitudinal section through a compressor, in which the flow structure according to the invention in the region of a hub of a compressor rotor is designed as a hub treatments.

4 zeigt wiederum einen Verdichter 10 in Axialbauweise, wobei in dem Hauptströmungskanal 12 des Verdichters 10 in axialer Richtung hintereinander mehrere feststehende Leitschaufelkränze sowie mehrere rotierende Laufschaufelkränze angeordnet sind. 4 zeigt diesbezüglich einen Laufschaufelkranz 15, wobei in Strömungsrichtung hinter diesem Laufschaufelkranz 15 ein Leitschaufelkranz 16 und in Strömungsrichtung hinter dem Leitschaufelkranz 16 wiederum ein Laufschaufelkranz 15 positioniert ist. Der Hauptströmungskanal 12 wird nabenseitig von einer Außenkontur einer Nabe 36 begrenzt. 4 again shows a compressor 10 in Axialbauweise, wherein in the main flow channel 12 of the compressor 10 in the axial direction one behind the other several fixed vane rings and a plurality of rotating blade rings are arranged. 4 shows in this regard a blade ring 15 , wherein in the flow direction behind this blade ring 15 a vane ring 16 and in the flow direction behind the vane ring 16 turn a blade ring 15 is positioned. The main flow channel 12 is hub side of an outer contour of a hub 36 limited.

Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 ist beim Ausführungsbeispiel der 4 die Ringkammer 18 nicht radial außen gehäuseseitig sondern viel mehr radial innen nabenseitig ausgebildet. Die Ringkammer 18 ist dabei freien Enden 37 der feststehenden Leitschaufeln des Leitschaufelkranzes 16 zugeordnet. Da hinsichtlich der übrigen Details die nabenseitige Strömungsstruktur des Ausführungsbeispiels der 4 mit der gehäuseseitigen Strömungsstruktur des Ausführungsbeispiels der 1 bis 3 übereinstimmt, werden zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet. Es kann auf die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 verwiesen werden.In contrast to the embodiment of 1 to 3 is in the embodiment of 4 the ring chamber 18 not radially outside the housing side but much more radially formed on the hub side. The annular chamber 18 is free ends 37 the fixed vanes of the vane ring 16 assigned. As for the other details, the hub-side flow structure of the embodiment of 4 with the housing-side flow structure of the embodiment of 1 to 3 the same reference numerals are used to avoid unnecessary repetitions for the same assemblies. It may refer to the comments on the embodiment of 1 to 3 to get expelled.

Mithilfe der erfindungsgemäßen Strömungsstruktur für einen Turboverdichter ist demnach einerseits eine Rezirkulation innerhalb des Hauptströmungskanals und andererseits eine Zirkulation aus dem Hauptströmungskanal heraus in eine Verdichtervorkammer möglich. Dies wird durch die erfindungsgemäß ausgebildete Ringkammer ermöglicht. Die erfindungsgemäße Strömungsstruktur bewirkt eine Optimierung des Pumpgrenzabstands des Turboverdichters. Sie ist sowohl bei Turboverdichtern in Axialbauweise als auch bei Turboverdichtern in Diagonalbauweise oder Radialbauweise einsetzbar. Die erfindungsgemäße Strömungsstruktur findet bevorzugt Verwendung in Flugtriebwerken oder auch stationären Gasturbinen.aid the flow structure according to the invention for one Turbo compressor is therefore on the one hand a recirculation within of the main flow channel and on the other hand, a circulation from the main flow channel out into a compressor chamber possible. This is done by the formed according to the invention Ring chamber allows. The flow structure according to the invention causes an optimization of the surge margin of the turbocompressor. It is both in turbocompressors in Axialbauweise and in Turbo compressors can be used in diagonal construction or radial construction. The flow structure according to the invention is preferably used in aircraft engines or stationary gas turbines.

1010
Verdichtercompressor
1111
Gehäusecasing
1212
HauptströmungskanalMain flow channel
1313
Pfeilarrow
1414
Leitschaufelkranzvane ring
1515
LaufschaufelkranzBlade ring
1616
Leitschaufelkranzvane ring
1717
Achseaxis
1818
Ringkammerannular chamber
1919
Wandwall
2020
Wandwall
2121
Wandwall
2222
Leitelementvane
2323
Pfeilarrow
2424
Kanteedge
2525
Kanteedge
2626
Aussparungrecess
2727
Strömungskanalflow channel
2828
Strömungskanalflow channel
2929
Pfeilarrow
3030
Öffnungopening
3131
Verdichterkammercompression chamber
3232
Pfeilarrow
3333
Austrittsöffnungoutlet opening
3434
Pfeilarrow
3535
EndeThe End
3636
Nabehub
3737
EndeThe End

Claims (19)

Strömungsstruktur für einen Turboverdichter, insbesondere für einen Verdichter einer Gasturbine, mit mindestens einer Ringkammer (18), die konzentrisch zu einer Achse (17) des Turboverdichters im Bereich von freien Schaufelenden (36; 37) eines Schaufelkranzes (15; 16) angeordnet ist und die radial an einen Hauptströmungskanal (12) angrenzt, wobei die Ringkammer (18) von einer vorderen, stromaufwärtigen Wand (19), einer hinteren, stromabwärtigen Wand (20) und einer im Wesentlichen axial verlaufenden Wand (21) begrenzt ist, wobei in der Ringkammer (18) Leitelemente (22) angeordnet sind, und wobei die Ringkammer (18) in einem vorderen und/oder hinteren Bereich einen Strömungsdurchtritt in Umfangsrichtung ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich wenigstens einer der Wände (19, 20, 21) mindestens eine Öffnung (30) angeordnet ist, die einen Strömungsdurchtritt aus der Ringkammer (18) heraus ermöglicht, und dass mindestens eine Verdichterkammer (31) zur Aufnahme dieser austretenden Strömung vorhanden ist.Flow structure for a turbocompressor, in particular for a compressor of a gas turbine, with at least one annular chamber ( 18 ) concentric with an axis ( 17 ) of the turbocompressor in the area of free blade ends ( 36 ; 37 ) of a blade ring ( 15 ; 16 ) and arranged radially to a main flow channel ( 12 ), wherein the annular chamber ( 18 ) from a front, upstream wall ( 19 ), a rear, downstream wall ( 20 ) and a substantially axially extending wall ( 21 ) is limited, wherein in the annular chamber ( 18 ) Guiding elements ( 22 ) are arranged, and wherein the annular chamber ( 18 ) in a front and / or rear area allows a flow passage in the circumferential direction, characterized in that in the region of at least one of the walls ( 19 . 20 . 21 ) at least one opening ( 30 ) is arranged, which has a flow passage from the Annular chamber ( 18 ) and that at least one compression chamber ( 31 ) is present for receiving this exiting flow. Strömungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der im Wesentlichen axial verlaufenden Wand (21) der Ringkammer (18) in einem stromaufwärtigen Bereich derselben mindestens eine Öffnung (30) angeordnet ist, wobei die oder jede Öffnung (30) einen Strömungsdurchtritt in radialer Richtung aus der Ringkammer (18) heraus in die Verdichterkammer (31) ermöglicht.Flow structure according to claim 1, characterized in that in the substantially axially extending wall ( 21 ) of the annular chamber ( 18 ) in an upstream region of the same at least one opening ( 30 ), wherein the or each aperture ( 30 ) a flow passage in the radial direction from the annular chamber ( 18 ) out into the compression chamber ( 31 ). Strömungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterkammer (31) eine Austrittsöffnung (33) aufweist, über die in die Verdichterkammer (31) aus der Ringkammer (18) einströmende Luft aus der Verdichterkammer (31) abführbar ist.Flow structure according to claim 1 or 2, characterized in that the compression chamber ( 31 ) an outlet opening ( 33 ), via which into the compression chamber ( 31 ) from the annular chamber ( 18 ) incoming air from the compression chamber ( 31 ) is dissipatable. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterkammer (31) radial an die Ringkammer (18) angrenzt.Flow structure according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the compression chamber ( 31 ) radially to the annular chamber ( 18 ) adjoins. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (18) im Bereich gehäuseseitiger Enden (35) von Laufschaufeln (15) angeordnet ist, und dass die Verdichterkammer (31) die Ringkammer (18) radial außen umschließt.Flow structure according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the annular chamber ( 18 ) in the area of the housing-side ends ( 35 ) of moving blades ( 15 ) is arranged, and that the compression chamber ( 31 ) the annular chamber ( 18 ) encloses radially on the outside. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (18) im Bereich nabenseitiger Enden (37) von Leitschaufeln (16) angeordnet ist, und dass die Verdichterkammer (31) die Ringkammer (18) radial innen umschließt.Flow structure according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the annular chamber ( 18 ) in the area of hub-side ends ( 37 ) of vanes ( 16 ) is arranged, and that the compression chamber ( 31 ) the annular chamber ( 18 ) encloses radially inside. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (22) einerseits in vorwiegend axialer Richtung verlaufende Strömungskanäle (27) und andererseits mindestens einen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanal (28) begrenzen, wobei die oder jede Öffnung (30) an einem stromaufwärtsliegenden Ende der in axialer Richtung verlaufenden Strömungskanäle (27) in der im Wesentlichen axial verlaufenden Wand (21) angeordnet ist.Flow structure according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the guide elements ( 22 ) on the one hand in predominantly axial direction extending flow channels ( 27 ) and on the other hand, at least one circumferentially extending flow channel ( 28 ), whereby the or each opening ( 30 ) at an upstream end of the axially extending flow channels ( 27 ) in the substantially axially extending wall ( 21 ) is arranged. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (22) in axialer Blickrichtung in Umfangsrichtung um einen Winkel (β) geneigt oder in Umfangrichtung gekrümmt sind.Flow structure according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the guide elements ( 22 ) in the axial direction in the circumferential direction by an angle (β) are inclined or curved in the circumferential direction. Strömungsstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) so gewählt ist, dass der Strömungseintritt aus dem Hauptströmungskanal (12) in die Ringkammer (18) strömungstechnisch erleichtert ist.Flow structure according to claim 8, characterized in that the angle (β) is chosen so that the flow inlet from the main flow channel ( 12 ) in the annular chamber ( 18 ) is facilitated fluidically. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hauptströmungskanal (12) zugewandte Enden der Leitelemente (22) auf und/oder nahe bei einer Kontur des Hauptströmungskanals (12) verlaufen und axial mit den freien Schaufelenden überlappen oder axial an den Bereich der freien Schaufelenden angrenzen.Flow structure according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the main flow channel ( 12 ) facing ends of the guide elements ( 22 ) on and / or near a contour of the main flow channel ( 12 ) and axially overlap with the free blade ends or axially adjacent to the region of the free blade ends. Strömungsstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Hauptströmungskanal (12) zugewandten Enden der Leitelemente (22) in radialer Richtung einen solchen Abstand von den freien Schaufelenden des Turboverdichters aufweisen, dass im Normalbetrieb des Turboverdichters die Leitelemente (22) die freien Schaufelenden nicht berühren.Flow structure according to claim 10, characterized in that the main flow channel ( 12 ) facing ends of the guide elements ( 22 ) have in the radial direction such a distance from the free blade ends of the turbocompressor that during normal operation of the turbocompressor the guide elements ( 22 ) do not touch the free blade ends. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (22) schaufelartig, räumlich gekrümmt, mit variierender Dicke und definierten Profilschnitten ausgeführt sind.Flow structure according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the guide elements ( 22 ) are scoop-like, spatially curved, with varying thickness and defined profile sections are executed. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (18), die Leitelemente (22) und die Verdichterkammer (31) in ein Gehäuse (11) des Turboverdichters integriert sind.Flow structure according to one or more of claims 1 or 12, characterized in that the annular chamber ( 18 ), the guiding elements ( 22 ) and the compression chamber ( 31 ) in a housing ( 11 ) of the turbocompressor are integrated. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (18), die Leitelemente (22) und die Verdichterkammer (31) in eine Nabe (36) des Turboverdichters integriert sind.Flow structure according to one or more of claims 1 or 13, characterized in that the annular chamber ( 18 ), the guiding elements ( 22 ) and the compression chamber ( 31 ) in a hub ( 36 ) of the turbocompressor are integrated. Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Mitte der Ringkammer (18) stromaufwärts der axialen Mitte des zugeordneten Schaufelkranzes (15; 16) liegt.Flow structure according to one or more of claims 1 or 14, characterized in that the axial center of the annular chamber ( 18 ) upstream of the axial center of the associated blade ring ( 15 ; 16 ) lies. Strömungsstruktur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Mitte der Ringkammer (18) an der zugeordneten Hauptströmungskanalwand stromaufwärts der axialen Mitte der freien Schaufelenden des zugeordneten Schaufelkranzes (15; 16) liegt.Flow structure according to claim 15, characterized in that the axial center of the annular chamber ( 18 ) at the associated main flow channel wall upstream of the axial center of the free blade ends of the associated blade ring ( 15 ; 16 ) lies. Turboverdichter in Axialbauweise und/oder Diagonalbauweise und/oder Radialbauweise, mit mindestens einer Strömungsstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16.Turbo compressors in axial design and / or diagonal design and / or radial construction, with at least one flow structure according to one or more of claims 1 to 16. Flugtriebwerk, mit einem Turboverdichter nach Anspruch 17.Aircraft, with a turbocompressor according to claim 17th Stationäre Gasturbine, mit einem Turboverdichter nach Anspruch 17.Stationary gas turbine, with a turbover Denser according to claim 17.
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